轉杯紡分梳輥分梳質量研究初探

焉瑞安

(立達(中國)紡織儀器有限公司,江蘇 常州 213022)

0 引言

近年來,隨著各種落棉、再生棉及下腳料應用的不斷突破與各種新型纖維產品的不斷開發,轉杯紡對原料適應性的優勢不斷凸顯,尤其是在紡粗號紗時優勢明顯,使轉杯紡紗技術得到長足發展。深入開展對轉杯、分梳輥、阻捻頭等主要器材的設計、研究和應用,充分利用纖維特性,更好地發揮其功能,生產多種性能的轉杯紗,對于轉杯紡的進一步發展具有重要的經濟價值和現實意義[1]。

分梳輥作為轉杯紡紗的三大核心器材之一,對纖維可紡性和成紗質量起到關鍵性作用[2]。經過多年技術發展及相關企業的持續努力,在分梳輥用齒條質量及新型針布齒條的開發等方面都取得了長足進步,甚至形成若干“頭部企業”,滿足不同客戶從低端到高端的全系列需求,價格較低,個別低端齒條齒型的包卷價格更低。據了解,現有廠家過多依賴客戶現場實踐探索而缺少系統的深層次理論研究支撐,對于企業的長遠發展不利。因此,筆者利用纖維損傷頻率差異分析法檢驗不同型號分梳輥的分梳質量,并對比分析其紡純棉紗和純萊賽爾紗線性能指標,以期為業界拓展分梳輥應用及開發等提供借鑒和指導。

1 轉杯紡分梳輥概述

1.1 分梳輥作用及分梳牽伸特點

分梳輥的作用是將喂入半制品(纖維條)進行開松、梳理、排雜,使連續的纖維條盡量分離成平行伸直的單纖維狀態,為纖維在轉杯內紡紗做好前期準備。

早期的轉杯紡紗機采用多羅拉大牽伸(類似于現在的噴氣渦流紡牽伸方式)來實現須條的抽長拉細,后來很快被全部更換為目前的分梳輥牽伸方式,這很可能是借鑒梳棉機的刺輥開松方式,其相較于羅拉牽伸具有明顯的優勢[3],主要體現在以下方面。

a) 分梳輥對棉條的梳理分梳較為細致,能將小束纖維大部分開松成單纖維狀態,輸送到轉杯內,使凝聚的纖維層均勻,有利于提高轉杯紡的均勻度。

b) 分梳輥牽伸能有效地消除羅拉式牽伸帶來的羅拉牽伸不勻。

c) 分梳輥能將雜質等從纖維中分梳出來,其依靠附面層氣流的厚度大小,對纖維、雜質及短絨進行分離和轉移,排雜機構可減少因雜質等造成的斷頭和轉杯內的積塵。

d) 分梳輥牽伸為轉杯紡的高速高產創造條件,因為羅拉式牽伸分離裝置中,羅拉速度的提高受到許多因素的限制。

e) 將分梳輥牽伸設計為封閉結構,減少在牽伸分離纖維過程中的飛花,改善車間衛生條件。

1.2 分梳輥牽伸分離機構存在的問題

分梳輥牽伸分離機構并不理想,主要存在以下幾方面的問題。

a) 經過分梳輥齒部對纖維的抓取、輸送,破壞了原棉條內纖維的平行伸直度。而轉杯紡本身纖維從紗的軸心到表層間往復轉移效果就差于環錠紡[4],影響其最終成紗結構,導致紗線性能差異顯著。

b) 分梳輥在輸送纖維的過程中,纖維處于“自由狀態”,因此分梳輥齒部和周圍氣流對纖維運動的影響較大。

c) 分梳輥依靠齒部對纖維進行分梳、打擊、抓取,完成牽伸分離作用。齒條齒部作用于纖維時,會對纖維造成損傷,但羅拉牽伸也會帶來纖維損傷,有時甚至更為嚴重[5]。

1.3 影響分梳輥分梳牽伸的因素

1.3.1 分梳牽伸過程

分梳輥作用的發揮應結合全系統進行分析和配合,其作用過程較為復雜[6-7]。最開始是喂棉部分的握持開松分梳,當纖維被喂棉羅拉握持時發生單束纖維的橫向位移;后纖維從纖維須叢中釋放,由于受分梳輥齒尖與轉杯殼內壁狹窄環形通道間高速反向回轉氣流的沖擊,形成機械與氣流相結合的開松分梳作用,此時纖維主要靠一側齒條齒部對纖維產生約束,確保纖維能以近似分梳輥圓周速度運行,且纖維以彎鉤形態環繞針布前側,隨后發生亂取向,大多數情況下可環繞分梳輥兩次或多次,無法從分梳輥上剝離纖維和喂入輸送管道;經過分梳輥齒部處理的纖維,依靠分梳輥高速回轉產生的離心力和表面的氣壓差(由分梳輥表面速度、工藝負壓及轉杯回轉產生的空氣抽吸速度差形成)剝取和輸送纖維到轉杯,而纖維從分梳輥向轉杯腔運動的過程中會顛倒其前后方向[8],從而使纖維形態進一步惡化。為了加強對分梳腔氣流及纖維運動的控制,不同轉杯紡紡紗器喂棉及分梳腔結構見圖1。

a) R923型 b) R35/R36/R37型圖1 不同轉杯紡紡紗器喂棉及分梳腔結構

1.3.2 紡紗器結構

相對于早期,目前轉杯紡紡紗器的結構日益簡化,與分梳輥相關的參數設定也基本固定。給棉羅拉—給棉板隔距、給棉板—分梳輥隔距、給棉板壓力等均固定,無變化和調節余地[9];喂棉羅拉為滾花(R923型及蘇拉系紡紗器)和斜齒(全自動及R35/R36/R37型等紡紗器)2種類型;給棉板為陶瓷(蘇拉系紡紗器,分為早期和改進型2種)和金屬涂層(賜來福全自動紡紗器及所有立達紡紗器)2種類型,見圖2;給棉板壓力提供方式分為板簧(R923直線型與蘇拉系紡紗器V型)和彈簧(全自動及R35/R36/R37型等紡紗器)2種。

a) 卓郎BD6(前蘇拉) b) 卓郎賜來福AC08

1.3.3 氣流控制

與氣流相關的分梳腔排雜通道和輸纖通道,尤以立達半自動紡紗器、蘇拉系紡紗器排雜插件等發展較快。立達從R923型到R37型一直致力于排雜通道和輸纖通道結構的優化和改造,也不斷得到市場的檢驗和認可;而蘇拉系紡紗器在雙補風通道之外針對單通道的排雜插件進行大膽探索,利用不同插件進行補風和回風之間的精確控制,從而實現對不同原料附面層氣流厚度的控制,進一步改善了原料的適應性。關于氣流控制方面,則可通過設定工藝負壓、排雜負壓及轉杯速度等,實現分梳針布和分梳殼體之間腔體中氣流、排雜通道內氣流、輸纖通道內氣流及轉杯腔與轉杯殼體內氣流的穩定控制。

1.3.4 分梳輥轉速

影響分梳效果最直觀的因素是分梳輥轉速,轉速設置范圍為6 kr/min～10 kr/min,據悉已有企業在進行11 kr/min～12 kr/min的測試。同時由于分梳輥具有獨特的牽伸效果(調節分梳輥與喂棉羅拉之間的速比,可實現高達上千倍的牽伸),也可利用喂入速度/棉條定量的變化來增強分梳作用[10]。

2 分梳輥分類

2.1分梳輥針布的針齒種類有齒條式、植針式、齒片式和整體式4種,其中以齒條式居多。齒條型號有多種,通過不同的角度、幾何尺寸和表面粗糙度(涂層等)來控制和梳理纖維。影響梳理質量和梳理效果的幾何尺寸主要有分梳輥針布的縱向齒距、齒尖鋒利度、工作面的幾何形態、齒體的表面粗糙度及齒密等。為適紡不同特性的纖維原料和保證梳理質量,齒條的選用和維保非常重要,不僅要求其具有較高的硬度、強度和表面粗糙度,而且還要求有良好的分梳性能[11]。

2.2分梳輥針布齒條型號可分三大類：① 紡棉纖維或棉纖維為主的混紡產品用齒條;② 紡常規化學合成纖維用齒條;③ 針對特殊纖維(難轉移)的特型齒條。

2.3轉杯紡紗機自開發成功以來始終沿著德國系(全自動)和捷克系(半自動)兩條線路發展,導致分梳輥的命名出現混亂。因棉型纖維柔軟纖細,而雜質、灰塵、短絨較多,其分梳力和分解力需進行平衡,常用齒條型號有半自動的C40/OK40型、C74/OK74型,全自動的B174/OB20/B188型等。國內部分企業針對目前棉花含雜高的特點,開發出比以前齒條齒部更薄、分梳角更小、齒密更高的OB20/OB174型齒條等;而常規化學纖維剛性大且具有一定彈性,因此在分梳過程中分梳力較大,而其長度長整齊度好,幾乎不含雜,又由于本身可能含低聚物且多使用化學油劑,過度打擊會導致“白色粉末”析出(見圖3),因此要側重于對纖維的分離轉移,常用齒條型號有半自動C21/OK21型、C61/OK61型、KN88/MK88型,全自動S21/S43型等;針對一些難轉移的特殊纖維,其往往對紗線質量要求較低,但要注重紡紗穩定性,常用齒條型號有半自動C31型、C36型、C37型及植針式(見圖4)等。

圖3 分梳輥針齒上低聚物或油劑析出

圖4 植針式分梳輥針布

3 分梳輥分梳質量對比

3.1 對分梳輥的研究

紗線作為纖維集合體,影響紗線質量的因素除纖維自身性能外,還包括纖維排列的空間組合形態。而轉杯紡紗芯中纖維的形態幾乎與轉杯凝棉槽中環里的纖維形態相似。因此,影響轉杯中纖維形態的各種參數也將影響最終紗線的纖維形態,其中進入轉杯滑移面之前的纖維狀態非常重要,且受分梳輥分梳牽伸作用的影響。

有關學者對分梳輥的研究很多,如：用高速攝影法對輸送管道中的纖維流攝影,觀察單纖維狀態;用一根纖維上作用的齒數評定分梳質量的好壞;用纖維梳理力的大小推測分梳質量的好壞;用兩對光電管測定纖維脈沖信號在時間軸上的寬度評定分梳質量的好壞等[12]。因測試條件的限制,若要直觀地觀察開松過程中纖維形態、輸纖通道內纖維轉移及運行狀態等較為復雜[4,8,13],再加上分梳輥的作用更多體現在纖維準備階段,很難直接用最終的紡紗穩定性和成紗指標加以衡量?；诂F有條件可利用分梳工藝對纖維條中纖維損傷情況,在某種程度上對分梳質量進行評定,因此采用纖維損傷頻率差異進行分析,通過纖維損傷差異反映分梳輥分梳質量差異。

3.2 試驗設計

3.2.1 分梳輥規格

所選用的分梳輥均為生產使用中的常規型號,按針布齒密分別編號為A～G,7種試驗用分梳輥針布規格見表1。

表1 7種分梳輥針布規格

3.2.2 原料性能

以100%美棉為紡紗原料,棉纖維AFIS測試結果見表2。

表2 棉纖維AFIS測試結果

為了更加充分地檢驗不同分梳輥的分梳質量,選用纖維表面更光滑、截面更接近于圓形的萊賽爾纖維(某國產品牌,規格為1.33 dtex×32 mm)進行對比,其纖維截面與棉纖維對比見圖5,性能指標見表3。

表3 萊賽爾纖維性能指標

a) 萊賽爾纖維 b) 棉纖維圖5 纖維橫截面對比

3.2.3 試驗設備及測試儀器

使用立達R37型轉杯紡紗機紡制19.4 tex紗線,其他參數固定,僅更換不同型號的分梳輥進行對比。

測試儀器：Uster公司AFIS PRO2型單纖維測試儀、Uster Tensorapid 5型慢速強力儀、Uster Tensojet 4型高速強力儀及UTR4型強力伸長分析儀等。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 測試方法

由于目前尚缺乏大規模測試化學纖維長度的相應手段,因此僅將100%棉條喂入R37型紡紗器(更換不同的分梳輥)并收集轉杯內的纖維環用于AFIS測試分析,同時測試成紗物理指標。

3.3.2 纖維損傷程度可靠性驗證

纖維損傷頻率差異分析法能更加直觀地反映不同長度段纖維的損傷或變化情況。區別于常用的分布直方圖,利用AFIS測得纖維長度根數分布,對區段長度與分布頻率進行加權重構。

為了保證其可靠性,需對測試結果進行再現性驗證,即將100%棉條先后喂入紡紗器并收集前后兩次纖維環進行AFIS測試并進行頻率差異分析,測試結果見圖6。

圖6 纖維損傷頻率差異曲線

從圖6中可以看出,前后兩次測試的纖維損傷頻率差異曲線幾乎重疊,沒有明顯的拐點,且數據上差異占比僅約1.78%(可忽略不計),表現出較高的結果再現性。因此,用該方法來評價纖維損傷程度比較客觀有效。

3.3.3 不同分梳輥分梳質量分析

利用AFIS頻率差異分析法對不同分梳輥分梳質量進行分析。將不同分梳輥分梳所得纖維環進行AFIS測試,運用纖維損傷頻率差異分析,結果見圖7～圖13。

圖7 棉條/A型分梳輥纖維環頻率差異曲線

圖10 棉條/D型分梳輥纖維環頻率差異曲線

圖11 棉條/E型分梳輥纖維環頻率差異曲線

圖12 棉條/F型分梳輥纖維環頻率差異曲線

圖13 棉條/G型分梳輥纖維環頻率差異曲線

從圖7～圖13可知,相對于棉條,分梳輥分梳所得的纖維環均出現不同程度的纖維損傷,且其損傷程度并不完全隨分梳輥針布齒密的減小而減輕,反而呈現出加重趨勢。其中,經齒密最小的G型分梳輥針布處理的纖維損傷最為嚴重,損傷程度占比約為22.2%,而經齒密最高的A型分梳輥針布處理的纖維損傷程度最輕,損傷程度占比約為16.2%,同時齒密居中的D型分梳輥針布處理的纖維損傷程度次輕,損傷程度占比約為17.1%。由此可見,分梳效果和纖維損傷不僅與分梳輥針布齒密有關,還受齒尖鋒利度、工作面的幾何形態、齒部表面粗糙度等因素的綜合影響,同時還與纖維轉移至輸纖通道的狀態、轉杯滑移面接觸時的狀態等相關。

另外,由于E型和F型分梳輥針布齒形結構極為接近,僅表面涂層有所不同,使表面粗糙度存在差異,從纖維損傷的程度看二者幾乎處于同一水平。E型分梳輥纖維損傷程度占比約為19.6%,而F型分梳輥纖維損傷程度占比約為19.9%,說明在某種程度上,分梳輥針布表面粗糙度對分梳質量的影響并不顯著,應重點從使用壽命及與纖維摩擦導致低聚物或油劑析出的影響角度考慮。

3.3.4 不同分梳輥針布紡純棉紗質量對比

使用不同分梳輥針布紡100%純棉紗,纖維上四分位長度為29.1 mm,馬克隆值為4.6,線密度為19.4 tex轉杯紡針織紗,對所紡品種進行成紗質量指標測試,電容式條干CVm、光電式條干CVFS以及低敏感度紗疵IPI(-50%細節、+50%粗節和+280%棉結)測試結果見圖14,高敏感度紗疵(-40%細節、+35%粗節和+200%棉結)及紗線毛羽指數H測試結果見圖15,快/慢速斷裂強度及伸長率測試結果見圖16。

圖14 不同分梳輥紡100%純棉紗的條干CVm,CV FS及低敏感度紗疵測試結果

圖15 不同分梳輥紡100%純棉紗的高敏感度紗疵及毛羽指數H測試結果

圖16 不同分梳輥紡100%純棉紗的快/慢速斷裂強度及伸長率測試結果

由圖14～圖16測試結果可知,成紗的整體質量指標基本上隨著分梳輥針布齒密的減少而逐漸惡化。齒密最小的G型分梳輥針布,其紗線質量接近齒密最高的A型分梳輥的水平,其應用存在巨大的發展潛力;同時作為萬能型的E型分梳輥紡紗質量也較為理想,而齒密居中的D型分梳輥所紡紗線整體質量最差。由此可見,高齒密不一定能實現最佳的紗線質量,其還受到齒部幾何形態、表面粗糙度及其與喂棉機構、排雜通道及輸纖通道內氣流狀態的適應性等綜合因素的影響,而這些可能影響纖維的空間分布形態,從而決定最終的成紗結果。

E型和F型分梳輥針布齒密極為接近,但紗線質量差異較大,特別是在紗線斷裂強度和毛羽方面,F型分梳輥相對較差?？梢?分梳輥牽伸分梳作用對成紗質量的影響極為復雜,即使前面對纖維做到極好保護,也很有可能影響后面纖維轉移及在轉杯凝聚槽內鋪層狀態,從而引起紗線質量惡化。

3.3.5 不同分梳輥紡純萊賽爾紗質量對比

使用不同型號分梳輥紡線密度為19.4 tex的100%萊賽爾紗,纖維規格為32 mm×1.33 dtex,對所紡紗進行指標測試,電容式條干CVm值,光電式條干CVFS值及低敏感度紗疵測試結果見圖17,高敏感度紗疵及成紗毛羽H值測試結果見圖18,快/慢速斷裂強度及伸長率結果見圖19。

圖17 不同分梳輥紡100%萊賽爾紗的條干CVm,CV FS及低敏感度紗疵測試結果

圖18 不同分梳輥紡100%萊賽爾紗的高敏感度紗疵及毛羽指數H測試結果

圖19 不同分梳輥紡100%萊賽爾紗的快/慢速斷裂強度及伸長率測試結果

由圖17～圖19結果可知,紗線紗疵結果和強伸指標基本延續棉紗趨勢,隨著分梳輥針布齒密減小而逐漸惡化,整體質量較好的是齒密最小的G型分梳輥,同時作為萬能型的E型分梳輥紡紗質量也較佳,齒密居中的D型分梳輥所紡紗線整體質量較差。純萊賽爾纖維紗質量與純棉紗質量趨勢的差異,主要和加工纖維性能的巨大差異有關;化學纖維特別要重視纖維分離與轉移。E型和F型分梳輥針布齒密極為接近,紡紗質量差異較100%純棉紗有所收窄,這是因為類似的齒型本就是為適應化學纖維而開發,顯出一定質量優勢,從而抵消了部分差異。

4 結論

4.1分梳輥對纖維的損傷程度隨齒密的減小逐漸加大,還受齒尖鋒利度、工作面的幾何形態、齒體的表面粗糙度等因素的綜合影響。

4.2棉紗的整體質量基本上隨著分梳輥針布齒密的減小而逐漸惡化,齒密最小的G型分梳輥除外。紗線質量還受到針布齒條齒部幾何形態、表面粗糙度及其與喂棉機構、排雜通道及輸纖通道內氣流狀態的適應性(影響纖維空間分布形態)等綜合因素的影響。

4.3萊賽爾紗線基本延續了棉紗的趨勢,齒密最小的G型分梳輥整體上質量較好。與棉紗質量存在差異主要和加工纖維性能差異有關,不同原料都對應有適合的分梳輥齒型。

4.4分梳輥針布齒條表面粗糙度的不同對纖維損傷的影響較小,但對紗線質量影響較大?？梢?分梳輥的牽伸分梳作用對最終成紗質量的影響極為復雜,即使前面極好地保護纖維,也很有可能影響后面的纖維轉移及在轉杯凝聚槽內的鋪層狀態。

4.5因本文側重從纖維損傷層面來分析分梳輥的分梳質量,缺少對相應的分梳輥后纖維排列空間狀態的觀察,因此所得結論尚存在不足之處,需要后續更全面的對比進行檢驗和佐證。